Полезное увеличение биологического микроскопа: почему 2000 крат не показывают больше

В описаниях недорогих приборов часто встречаются цифры 1600 или 2000 крат. Покупатель ожидает, что увидит вдвое больше деталей, чем на приборе с увеличением 1000 крат. На деле картинка становится крупнее и темнее, а новых подробностей на ней не появляется.

Причина в том, что различимость мелких деталей задаёт разрешающая способность объектива, и окуляр на неё не влияет. Разберём, откуда берётся этот предел и как по маркировке понять, что прибор покажет на самом деле.

Увеличение и разрешение: в чём разница

Увеличение говорит, во сколько раз изображение крупнее объекта. Его получают, перемножая кратность объектива и окуляра: объектив 40х с окуляром 10х дают 400 крат. Увеличение можно наращивать почти без ограничений, поставив более сильный окуляр или дополнительную линзу.

Разрешение показывает, на каком наименьшем расстоянии две точки ещё видны раздельно. Если две бактерии лежат ближе этого расстояния, они сольются в одно пятно при любом увеличении. Растягивать такое пятно бесполезно: оно станет больше, но не распадётся на две части.

От чего зависит разрешение

Свет ведёт себя как волна, и изображение точки в микроскопе всегда представляет собой маленький кружок с размытым краем. Его размер определяют два параметра: длина волны света и числовая апертура объектива. Наименьшее разрешаемое расстояние приблизительно равно 0,61 длины волны, делённой на числовую апертуру.

Числовая апертура указана на оправе объектива после кратности, например 40х/0,65. Она описывает, насколько широкий конус света от объекта попадает в линзу. Для сухих объективов она не может превышать единицу, а у лучших на практике достигает 0,95. Масляная иммерсия поднимает её до 1,25 и выше, вплоть до 1,4.

Для зелёного света с длиной волны 0,55 микрометра и объектива с апертурой 1,4 расчёт даёт около 0,24 микрометра. Это и есть практический предел обычного светового прибора: порядка двух десятых микрометра. Мельче видны только те объекты, которые светятся сами или сильно рассеивают свет, но их форму различить уже нельзя.

Полезное увеличение

Глаз человека различает детали размером около десятой доли миллиметра с расстояния наилучшего зрения. Задача увеличения состоит в том, чтобы растянуть наименьшие детали, которые разрешил объектив, до этого размера. Отсюда выведено простое правило: полезное общее увеличение лежит в пределах от 500 до 1000 числовых апертур объектива.

Для объектива 100х с апертурой 1,25 это от 625 до 1250 крат. С окуляром 10х получается 1000 крат, и это попадает в полезный диапазон. Окуляр 16х даст 1600 крат, а окуляр 20х все 2000. Картинка при этом выглядит крупнее, но тусклее и мягче, а пыль и дефекты оптики становятся заметнее. Такое увеличение называют пустым.

Обратная ошибка встречается реже: при увеличении меньше 500 апертур объектив разрешает детали, которые глаз не успевает различить. Например, объектив 40х/0,95 с окуляром 10х даёт 400 крат при нижней границе 475, и часть его возможностей пропадает.

Какой объектив для каких объектов

Практическая таблица соответствия выглядит так.

• Объектив 4х, апертура около 0,1. Обзор среза, поиск участка. Различимы детали порядка 3,4 микрометра и крупнее: ткани, крупные клетки растений, мелкие беспозвоночные.
• Объектив 10х, апертура 0,25. Клетки тканей, простейшие, яйца гельминтов, пыльца. Разрешение около 1,3 микрометра.
• Объектив 40х, апертура 0,65. Ядра и крупные органоиды, эритроциты, дрожжи, крупные бактерии как точки и палочки. Разрешение около половины микрометра.
• Объектив 100х с иммерсией, апертура 1,25. Форма бактерий, зернистость цитоплазмы, детали хромосом. Разрешение около четверти микрометра.

Большинство вирусов, рибосомы, мембраны и отдельные белковые молекулы лежат за пределом световой оптики. Их изучают электронной микроскопией или специальными флуоресцентными методами сверхвысокого разрешения.

Что ещё ограничивает картинку

Расчётное разрешение достигается только при правильном освещении. Конденсор должен заполнять светом всю апертуру объектива. Если его диафрагма закрыта слишком сильно, контраст растёт, но разрешение падает, и появляются дифракционные ореолы. Обычно диафрагму прикрывают до двух третей или трёх четвертей апертуры объектива.

Имеет значение и качество коррекции. У простых ахроматов изображение резкое в центре поля и размыто к краям, а цветные каёмки ухудшают различимость мелких деталей. Планахроматы дают ровное поле, апохроматы точнее сводят цвета и обычно имеют большую апертуру при той же кратности.

Наконец, сам препарат. Толстый срез, неподходящее покровное стекло, пузырёк в иммерсионном масле нередко съедают разрешение сильнее, чем разница между классами объективов.

Как оценивать прибор при покупке

Вместо максимального увеличения в заголовке изучите перечень объективов с их апертурами. Объектив 100х/1,25 с окуляром 10х покажет больше, чем комплект с окулярами 20х и объективом 100х/0,8, хотя во втором случае цифра на коробке вдвое выше.

Полезно проверить, какой конденсор установлен: для иммерсионного объектива нужен конденсор Аббе с апертурой 1,25 и ирисовой диафрагмой. Простая диафрагма с отверстиями вместо конденсора ограничивает возможности объектива 100х независимо от его качества.

Окуляры лучше брать 10х с широким полем. Варианты 15х и 16х имеют смысл как дополнение к объективам с высокой апертурой и для задач, где удобнее крупный масштаб, например при подсчёте.

Подобрать биологический микроскоп под свои задачи можно в компании Арстек. По каждой модели до заказа стоит уточнить состав объективов, их апертуры и тип конденсора.

Когда крупный масштаб всё же нужен

Увеличение сверх полезного иногда применяют сознательно. При измерении мелких объектов по окулярной шкале или при подсчёте зёрен крупное изображение уменьшает ошибку наведения. При показе на большом экране для аудитории изображение растянуто заметно сильнее полезного увеличения, и для демонстрации это допустимо: зрители сидят далеко и смотрят на структуры целиком.

Важно лишь понимать, что новых деталей при этом не добавляется. Если нужно увидеть больше, ставят объектив с большей апертурой, улучшают освещение и качество препарата.